对物理变化的原因和过程的理解

对物理变化的原因和过程的理解
彭友山
（岳阳市七中 湖南 岳阳 414000）
1. 弄清事物变化的内、外因关系
物理教学要结合教学内容渗透“外因是变化的条件，内因是变化的根据，外因通过内因而起作用”这一 辩证唯物主义的基本思想，从而深化对物理变化的原因的理解。例如，讲解导体和绝缘体时应该强调二者的性质是不同的，也就是二者变化的根据不同。导体的内部有大量能够自由移动的电荷（即自由电荷：在金属导体中就是自由电子；在电解质的液体中，就是正、负离子；而气体导体既有电子导电，也有离子导电），而绝缘体内部几乎没有自由电荷。所以，自由电荷的存在是形成电流的内因。但是，在通常的状态下，导体中的自由电荷是做无规则的热运动，并不形成电流。要使导体中能够自由移动的电荷，除了做无规则的热运动外，还要做定向移动而形成电流，必须有一 定的外界条件。导体中产生电流的外界条件（外因）是：在导体两端存在电压。
又如，“共振”这一 课题的教学，也是结合知识内容阐述内、外因关系的生动例子。通过课本[高中物理（甲种本）第一 册]P。296图9—13“研究摆的共振”的实验，让学生看到当A摆动的时候，即在相同的策动力（外因）作用下，只有固有频率跟策动力频率相等的B、G摆振幅最大，也就是说，只有B、G摆才发生共振现象，这就表明固有频率是发生共振的内因。当策动力的频率跟受迫振动物体的固有频率相等的时候，即周期性的策动力跟振动“合拍”时，每一 次策动力都跟振动物体的速度方向一 致，策动力做的功都是正功，都用来增大振动系统的能量，所以振幅越来越大，直到策动力做功供给振动系统的能量等于克服摩擦阻力消耗的能量，振幅才不再增大，即达到最大振幅。当策动力不跟振动“合拍”时，策动力做的功有一 部分是负功，因而振动系统从策动力得到的能量比“合拍”时少，振幅也就比“合拍”时小。同样的，“共鸣”和“电谐振”这些课题的教学也都是结合知识内容阐述内、外因关系的生动例子。
再如，分析“物体运动状态的改变”时，也应该有意识地渗透内、外因的关系：（1）首先通过实例的分析阐述力是使物体产生加速度的原因（外因），再通过实验证明，对同一 物体来说，它的加速度跟它所受的外力成正比，从而使学生进一 步明确，外力的作用是促使物体运动状态变化的外因。（2）进而通过实例的分析阐述物体运动状态的改变还跟物体本身的性质（惯性的大小）有关；大小相同的外力，作用在质量不同的物体上，它所产生的加速度不同，质量大的物体，产生的加速度小，它的运动状态难改变，惯性大；质量小的物体，产生的加速度大，它的运动状态容易改变，惯性小。这说明，在相同的外部条件下，物体运动状态的变化，是由物体的内因——质量（物体惯性的大小）决定的。实验进一 步证明：在大小相同的外力作用下，不同物体的加速度跟它的质量成反比。在这样分析的基础上，总结出牛顿第二定律及其公式，学生对定律含义的理解就比较深刻了。
2. 弄清事物变化、发展的过程及其“关节点”
在物理教学中要结合教学内容对学生进行量变到质变的转化规律的教育，应使学生弄清量变是事物发展的必经阶段，事物的变化首先表现为数量的变化，当数量变化到一 定时，就会产生一 个飞跃，一 起事物质的变化，这就是量变一 起质变。当一 质变结束后，则又转化为新的量变，开始了新的矛盾发展史。例如，物态变化的过程就生动地揭示了量变与质变的辩证规律。晶体分子的排列是规则的，当晶体吸收热量温度升高时，分子的振动加剧，这是量变的过程；当温度升高到一 定程度（熔点）时，再继续供给热量，分子间相互作用力已不能把分子限制在平衡位置附近振动，于是有规则的排列被破坏，固态变为液态，这就是溶解，这时发生了质变。对液态继续加热，又会有新的量变和质变，在一 定条件下（温度升高到沸点时，并继续供给热量），液态就会变为气态（汽态），这就是沸腾。在物态变化的过程中，总是先由量的逐渐变化（如吸热而升温或放热而降温），最后发生质的飞跃，即态变。状态改变以后还会有新的量变和质变的交替转化。
应该指出，物体的物理过程发生变化时，量变不是单纯的量变，质变也不单纯的质变，量变和质变是互相交错、互相渗透的，临界状态也是如此。一 方面在物理过程发生总的量变过程中往往有部分质变。例如水的蒸发，在沸点以下，温度愈高，蒸发愈快，部分质变就增加，水的表面液态变成汽态的水分子增加，但不会引起根本性的质变，即不会使水表面和内部同时发生剧烈的汽化。另一 方面，在物理临界状态也有量变。这是因为物体的物理过程发生变化的临界状态是一 个量变转向质变到完成质变的过程。这个过程从时间上看有或长或短的持续而绝不可能在一 个时刻全部实现；从空间上看有或大或小的规模，而绝不可能一 下子全部实现，不需要一 点伸张。例如加热晶体，温度达到熔点时，开始熔解，只在个别部分出现“液珠”，继续加热，“液珠”在数量上逐渐增多，直到全部熔解。又如水的沸腾，水的聚集状态由液态变成汽态，在沸点水分子是一 个一 个地沸腾起来的，直到最后完成质变。在发生质变的临界状态，量的扩张有的极其短促，有的极为漫长。如某些基本粒子的衰变过程可以短到几十亿分之一 秒。而铀238核的衰变在自然放射的条件下极其缓慢，铀238变为钍234的半衰期竟长达45亿年。
凸透镜成像的各种情况也是量变质变规律的很好例证，像的正倒、虚实、大小取决于物体到凸透镜的距离，即物距，而凸透镜的焦点则是量变到质变的“关节点”——即质变点。一 切事物的区别都体现为量界限上的差异。许多引人注目、寓意深刻的物理现象及概念都体现为量界限上的“关节点”。在物态变化中，从固态到液态的熔点、从液态到固态的凝固点、从液态到气态的沸点、从气态到液态的临界温度和临界压强等都是量界限上的“关节点”，都是物理学上临界的概念。类似的例子在中学物理中比比皆是：诸如静摩擦现象中的最大静摩擦力、弹性形变的弹性限度、材料形变的极限强度、超导体的转变温度、光线从光密媒质射向光疏媒质发生全反射的临界角、某一 金属发生光电效应的极限频率、原子核物理中的临界质量、临界体积和临界形状等等都是量界限上的“关节点”。这些“关节点”在物理教学中常常是教学的重点，尤其应注意引导学生研究这些“关节点”前后量变的特征。学生只有正确理解物理临界概念，才能深刻理解与其有关的物理现象。例如，气体的温度没有降到临界温度以下，无论加多大的压强也是不能液化的。不同物质的临界温度是不同的。学生弄清了临界温度的概念，才能深刻理解液化现象的本质——任何气体，只有温度降到他的临界温度以下，才能单独加压液化；同时弄清了临界温度的概念，也就能区分汽和气。可以这样说，临界温度是汽和气的分界点，汽和气的根本区别是能否单独加压液化（对于气态物质，人们习惯上把低于临界温度的称为蒸汽，简称为汽，而高于临界温度的则称为气）。又如，任何金属受到光线的照射都能发生光电效应；但对特定的某一 种金属，如果照射光的频率小于某个值，不论光多么强，都不能发生光电效应。譬如用可见光照射锌板，不论光多么强，也不能使它发出光电子，可是用紫外线照射锌板时，即使光很弱，也可以使它放出光电子。这说明，用光照射某种特定的金属时，只有当光的频率大于某一 数值（该金属的极限频率）时，才能发生光电效应。